半导体材料是材料、信息、新能源的交叉学科，是信息、新能源（半导体照明、太阳能光伏）等高科技产业的材料基础。 本书共15章，详细介绍了半导体材料的基本概念、基本物理原理、制备原理和制备技术，重点介绍了半导体硅材料（包括高纯多晶硅、区熔单晶硅、直拉单晶硅和硅薄膜半导体材料）的制备、结构和性质，阐述了化合物半导体（包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料和氧化物半导体材料）的制备技术和基本性质，还阐述了有机半导体材料、半导体量子点（量子阱）等新型半导体材料的制备和性质。本书配套MOOC在线课程、习题参考答案等。

杨德仁，半导体材料学家，中国科学院院士。现任浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室主任、杭州国际科创中心首席科学家，并任浙大宁波理工学院校长，国家自然科学基金创新研究群体负责人；兼任中国可再生能源学会副理事长等， Elsevier旗下Micro and Nanostructures等杂志主编。长期从事半导体硅材料的研究，曾主持国家973、863、国家重大专项、国家自然科学基金重大、重点等项目，以第一获奖人获得国家自然科学二等奖2项，国家技术发明二等奖1项，何梁何利科学与技术进步奖。

第1章 半导体材料概论 1
1.1 半导体材料的研究和发展历史 2
1.2 半导体材料的基本性质 3
1.2.1 半导体材料的分类 4
1.2.2 半导体材料的基本电学特性 5
1.2.3 半导体材料的材料结构特性 7
1.3 半导体材料的应用和产业 8
1.3.1 半导体材料在微电子产业的应用 8
1.3.2 半导体材料在光电子产业的应用 10
1.3.3 半导体材料在太阳能光伏产业的应用 11
1.4 半导体材料的展望 12
习题1 13
第2章 半导体材料物理基础 14
2.1 载流子和能带 14
2.1.1 载流子和电导率 14
2.1.2 能带结构 15
2.1.3 电子和空穴 18
2.2 杂质和缺陷能级 19
2.2.1 掺杂半导体材料 19
2.2.2 杂质能级 20
2.2.3 深能级 22
2.2.4 缺陷能级 23
2.3 热平衡状态下的载流子 23
2.3.1 载流子的状态密度和统计分布 24
2.3.2 本征半导体的载流子浓度 27
2.3.3 掺杂半导体的载流子浓度和补偿 28
2.4 非平衡少数载流子 30
2.4.1 非平衡载流子的产生、复合和寿命 30
2.4.2 非平衡载流子的扩散 32
2.4.3 非平衡载流子在电场下的漂移和扩散 33
2.5 PN结 35
2.5.1 PN结的制备 36
2.5.2 PN结的能带结构 38
2.5.3 PN结的电流-电压特性 39
2.6 金属-半导体接触和MIS结构 41
2.6.1 金属-半导体接触 41
2.6.2 欧姆接触 43
2.6.3 MIS结构 44
习题2 45
参考文献 45
第3章 半导体材料晶体生长原理 46
3.1 半导体晶体材料的生长方式 46
3.2 晶体生长的热力学理论 47
3.2.1 晶体生长的自由能和驱动力 47
3.2.2 晶体生长的均匀成核 50
3.2.3 晶体生长的非均匀成核 52
3.3 晶体生长的动力学理论 54
3.3.1 晶体生长单原子层界面模型 54
3.3.2 晶体生长机制 56
3.4 晶体的外形控制 59
3.4.1 晶体外形和界面自由能的关系 59
3.4.2 晶体外形和晶体生长界面的关系 60
3.4.3 晶体外形和晶体生长方向的关系 61
习题3 62
参考文献 63
第4章 半导体材料晶体生长技术 64
4.1 熔体生长技术 64
4.1.1 直拉晶体生长技术 64
4.1.2 布里奇曼晶体生长技术 66
4.1.3 区熔晶体生长技术 67
4.2 溶液生长技术 69
4.2.1 溶液降温生长晶体技术 70
4.2.2 溶液恒温蒸发生长晶体技术 70
4.2.3 溶液温差水热生长晶体技术 71
4.2.4 溶剂分凝（助溶剂法）生长晶体技术 71
4.2.5 溶液液相外延生长晶体技术 71
4.3 气相生长技术 73
4.3.1 真空蒸发法 74
4.3.2 升华法 78
4.3.3 化学气相沉积法 78
4.3.4 低维半导体材料的生长和制备 81
习题4 84
参考文献 84
第5章 元素半导体材料的基本性质 86
5.1 硅材料 86
5.1.1 硅的基本性质和应用 86
5.1.2 硅的晶体结构 88
5.1.3 硅的能带结构 91
5.1.4 硅的电学性质 93
5.1.5 硅的化学性质 94
5.1.6 硅的光学性质 95
5.1.7 硅的力学性质 97
5.1.8 硅的热学性质 99
5.2 锗材料的基本性质 100
5.3 碳材料的基本性质 103
习题5 105
参考文献 105
第6章 元素半导体材料的提纯和制备 107
6.1 金属硅的制备 107
6.2 高纯多晶硅的提纯和制备 109
6.2.1 三氯氢硅工艺制备高纯多晶硅 109
6.2.2 硅烷热分解工艺制备高纯多晶硅 114
6.2.3 流化床工艺制备高纯多晶硅 115
6.2.4 其他化学提纯工艺制备高纯多晶硅 116
6.2.5 物理冶金工艺制备太阳能级多晶硅 117
6.3 高纯锗半导体材料的提纯和制备 120
6.3.1 锗半导体材料的应用 120
6.3.2 金属锗的制备 121
6.3.3 高纯锗的制备 123
6.3.4 单晶锗的制备 123
习题6 124
参考文献 124
第7章 区熔单晶硅的生长和制备 125
7.1 分凝现象和分凝系数 125
7.1.1 分凝现象和平衡分凝系数 125
7.1.2 有效分凝系数 127
7.1.3 正常凝固和杂质分布 128
7.2 区熔晶体生长理论 129
7.3 区熔单晶硅生长 132
习题7 136
参考文献 137
第8章 直拉单晶硅的生长和制备 138
8.1 直拉单晶硅的生长工艺 138
8.1.1 直拉单晶硅生长的基本工艺 139
8.1.2 直拉单晶硅生长的主要控制因素 144
8.2 直拉单晶硅的新型生长工艺 148
8.2.1 磁控直拉单晶硅生长工艺 148
8.2.2 重复装料直拉单晶硅生长工艺 149
8.2.3 连续加料直拉单晶硅生长工艺 150
8.3 硅片加工工艺 151
8.3.1 晶锭切断 151
8.3.2 晶锭滚圆和切方 152
8.3.3 晶锭切片 152
8.3.4 硅片化学腐蚀 154
8.3.5 硅片倒角 155
8.3.6 硅片研磨 155
8.3.7 硅片抛光 155
习题8 156
参考文献 157
第9章 直拉单晶硅的杂质和缺陷 159
9.1 直拉单晶硅的掺杂 159
9.1.1 直拉单晶硅的掺杂剂 159
9.1.2 直拉单晶硅的掺杂技术 160
9.1.3 直拉单晶硅的掺杂量 161
9.2 直拉单晶硅的杂质 163
9.2.1 氧杂质 163
9.2.2 碳杂质 167
9.2.3 氮杂质 169
9.2.4 锗杂质 171
9.2.5 氢杂质 173
9.2.6 金属杂质 175
9.3 直拉单晶硅的缺陷 177
9.3.1 单晶硅原生缺陷 177
9.3.2 硅片加工诱生缺陷 179
9.3.3 器件工艺诱生缺陷 180
习题9 182
参考文献 183
第10章 硅薄膜半导体材料 184
10.1 单晶硅薄膜半导体材料 184
10.1.1 外延生长单晶硅薄膜 185
10.1.2 外延单晶硅薄膜掺杂 189
10.1.3 外延单晶硅薄膜的缺陷 191
10.2 非晶硅薄膜半导体材料 192
10.2.1 非晶硅薄膜材料的基本性质 193
10.2.2 非晶硅薄膜材料的制备 196
10.2.3 非晶硅薄膜材料中的氢杂质 198
10.3 多晶硅薄膜半导体材料 200
10.3.1 多晶硅薄膜的基本性质 200
10.3.2 多晶硅薄膜的制备 202
10.4 绝缘体上硅（SOI）薄膜半导体材料 206
10.4.1 注氧隔离技术 208
10.4.2 键合和反面腐蚀技术 208
10.4.3 注氢智能切割技术 209
10.5 锗硅（SiGe）薄膜半导体材料 210
习题10 212
参考文献 212
第11章 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 216
11.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的基本性质 216
11.2 GaAs半导体材料的性质和应用 219
11.3 GaAs半导体材料的制备 222
11.3.1 布里奇曼法制备 223
11.3.2 液封直拉法制备 224
11.3.3 单晶GaAs薄膜的外延制备 225
11.4 GaAs晶体的杂质和缺陷 227
11.4.1 GaAs晶体的掺杂 227
11.4.2 GaAs晶体的Si杂质 228
11.4.3 GaAs晶体的缺陷 229
11.5 GaN半导体材料的性质和应用 230
11.6 GaN半导体材料的制备 233
11.6.1 单晶GaN的制备 233
11.6.2 单晶GaN薄膜的制备 235
11.7 GaN晶体的杂质和缺陷 236
11.7.1 GaN晶体的杂质 236
11.7.2 GaN晶体的缺陷 237
11.8 其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 240
11.8.1 InP半导体材料 240
11.8.2 GaP半导体材料 242
习题11 243
参考文献 243
第12章 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 245
12.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的基本性质 246
12.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的制备 247
12.2.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶体材料的制备 248
12.2.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体薄膜材料的制备 251
12.2.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的缺陷 253
12.3 CdTe半导体材料 255
12.3.1 CdTe半导体材料的性质和应用 255
12.3.2 CdTe半导体材料的制备 257
12.3.3 CdTe半导体材料的缺陷 259
12.4 其他Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 260
12.4.1 CdS半导体材料 260
12.4.2 CuInGaSe半导体材料 261
习题12 263
参考文献 263
第13章 氧化物半导体材料 267
13.1 ZnO半导体材料 267
13.1.1 ZnO半导体材料的基本性质 268
13.1.2 ZnO半导体材料的器件及应用 271
13.1.3 ZnO半导体材料的制备 273
13.1.4 ZnO晶体的缺陷与杂质 275
13.2 Ga2O3半导体材料 280
13.2.1 Ga2O3半导体材料的基本性质 280
13.2.2 Ga2O3半导体材料的器件及应用 282
13.2.3 Ga2O3半导体材料的制备 284
13.2.4 Ga2O3晶体的杂质和缺陷 289
习题13 293
参考文献 294
第14章 Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料 299
14.1 SiC半导体材料的性质和应用 299
14.1.1 晶体结构 299
14.1.2 能带结构 300
14.1.3 掺杂和载流子浓度 302
14.1.4 迁移率 303
14.1.5 光学性质 303
14.1.6 其他性质 304
14.1.7 应用 305
14.2 SiC半导体材料的制备 305
14.2.1 单晶SiC的制备 305
14.2.2 SiC薄膜材料的制备 308
14.3 SiC晶体的杂质和缺陷 309
14.3.1 SiC晶体的掺杂 309
14.3.2 SiC晶体的缺陷 311
习题14 313
参考文献 314
第15章 有机半导体材料 317
15.1 有机半导体材料的基本性质 317
15.1.1 有机半导体材料的结构性质 318
15.1.2 有机半导体材料的电学性质 321
15.1.3 有机半导体材料的光学性质 323
15.1.4 有机半导体材料的其他性质 324
15.2 有机半导体材料的制备 324
15.2.1 溶液法 324
15.2.2 非溶液法 326
15.3 有机半导体材料的器件应用 327
15.3.1 有机半导体材料在发光器件中的应用 327
15.3.2 有机半导体材料在光伏器件中的应用 329
15.3.3 有机半导体材料在电子器件中的应用 331
15.3.4 有机半导体材料在新型器件中的应用 332
习题15 333
参考文献 333